第六章-6.4懸索結(jié)構(gòu)

第六章—大跨屋蓋結(jié)構(gòu)1網(wǎng)架結(jié)構(gòu)2網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)3拱結(jié)構(gòu)4懸索結(jié)構(gòu)5薄壁空間結(jié)構(gòu)主要內(nèi)容4.1概述懸索結(jié)構(gòu)的主要承重構(gòu)件是受拉的鋼索。這些索按一定的規(guī)律組成各種不同形式的（網(wǎng)面）體系，并懸掛在相應(yīng)的支承結(jié)構(gòu)上。鋼索一般采用由高強(qiáng)鋼絲組成的高強(qiáng)鋼絲束、鋼絞線或鋼絲繩制成。第四節(jié)懸索結(jié)構(gòu)懸索結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高，受力合理，自重輕的優(yōu)點(diǎn)。它可以跨越很大的跨度而不需要中間的機(jī)構(gòu)支承，是比較理想的大跨度結(jié)構(gòu)形式之一。施工便捷，施工設(shè)施簡單。適應(yīng)性強(qiáng)，造型美觀4.1概述四川大渡河上的瀘定橋是在1706年建成的鐵索橋，其跨度104米。4.1概述瀘定橋4.1概述江陰長江大橋4.1概述香港青馬大橋香港青馬大橋，公鐵兩用橋，主跨1377米，是配合香港國際機(jī)場而建的十大核心工程之一。于1992年5月開始興建，1998年建成。4.1概述日本明石海峽大橋在建筑工程領(lǐng)域中，懸索結(jié)構(gòu)屋蓋的發(fā)展開始于19世紀(jì)末。懸索結(jié)構(gòu)屋蓋主要用于60~100m左右的體育館，會展中心等大跨度公共建筑中。目前，懸索屋蓋結(jié)構(gòu)的跨度最大已達(dá)到160m。20世紀(jì)50年代的北京工人體育館就采用了懸索屋蓋結(jié)構(gòu)。4.1概述4.1概述北京工人體育館北京工人體育館于1961年2月建成。建筑面積：40200平方米，混凝土框架結(jié)構(gòu)。屋蓋為輪輻式雙層懸索結(jié)構(gòu)，跨度94米，有144根懸索。4.1概述杭州體育館杭州體育館建于1966年，采用了馬鞍形懸索屋蓋，建筑平面為橢圓形，長軸80米，短軸60米。4.2懸索結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)懸索結(jié)構(gòu)屬于軸心受拉構(gòu)件，可以充分利用結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度，是一種理想的結(jié)構(gòu)形式。正如前面所講，曲面結(jié)構(gòu)都是有推力的結(jié)構(gòu)，所以懸索結(jié)構(gòu)也是一種有推力的結(jié)構(gòu)。第四節(jié)懸索結(jié)構(gòu)懸索結(jié)構(gòu)有很多種結(jié)構(gòu)類型，但基本組成大致相同。以單曲面單層懸索結(jié)構(gòu)為例，其基本組成可分為：索網(wǎng)、邊緣構(gòu)件、下部支承結(jié)構(gòu)以及斜拉索等。4.2懸索結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)懸索是軸心受拉的構(gòu)件，截面上既無彎矩也無剪力。根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)可知：索的水平推力可以表示為H=M0/y。M0為該懸索同跨度，同荷載的簡支梁的跨中彎矩，y為垂度。4.2懸索結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)從這個式子可以看出，索的推力值與索的垂度成反比，當(dāng)荷載和跨度一定時，垂度y越小，推力H越大。因此合理確定索的垂度，是懸索結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要問題。4.3懸索屋蓋結(jié)構(gòu)的類型懸索結(jié)構(gòu)按其表面形式的不同，可以分為單曲面與雙曲面兩種類型，且每一種類型根據(jù)索的布置方式又可分為單層懸索和雙層懸索兩種形式。而在雙曲面懸索結(jié)構(gòu)中還有一種交叉索網(wǎng)的結(jié)構(gòu)形式。第四節(jié)懸索結(jié)構(gòu)1單曲面懸索結(jié)構(gòu)單曲面懸索結(jié)構(gòu)適用于矩形平面建筑。(1)單曲面單層懸索結(jié)構(gòu)4.3懸索屋蓋結(jié)構(gòu)的類型框架承擔(dān)推力斜拉索承擔(dān)推力(1)單曲面單層懸索結(jié)構(gòu)為了保持屋蓋的穩(wěn)定性，單曲面單層懸索結(jié)構(gòu)必須采用重型屋蓋（一般為裝配式鋼筋混凝土屋面板）。在大跨度的懸索結(jié)構(gòu)中，為了限制屋面板的開裂和過大變形，對屋面板需要施加預(yù)應(yīng)力的方法，使屋面形成整體結(jié)構(gòu)。單曲面單層懸索結(jié)構(gòu)的懸索垂度一般取跨度的1/50~1/20.4.3懸索屋蓋結(jié)構(gòu)的類型(2)單曲面雙層懸索結(jié)構(gòu)單曲面雙層懸索結(jié)構(gòu)是由許多片平行的索網(wǎng)組成，每片索網(wǎng)均由曲率相反的承重索和穩(wěn)定索組成，并在兩者之間設(shè)置形狀如同屋架斜腹桿的張拉索。4.3懸索屋蓋結(jié)構(gòu)的類型2雙曲面懸索結(jié)構(gòu)雙曲面懸索結(jié)構(gòu)更適合平面類型采用圓形、橢圓形或復(fù)雜的曲線形等的建筑。它的結(jié)構(gòu)類型除了單層、雙層外，還有一種曲率相反的單層交叉索形式。4.3懸索屋蓋結(jié)構(gòu)的類型(1)雙曲面單層懸索結(jié)構(gòu)4.3懸索屋蓋結(jié)構(gòu)的類型這種結(jié)構(gòu)形式常用于圓形建筑平面，懸索按輻射狀布置，懸索的一端錨固在受壓的外環(huán)梁上，另一端錨固在中心受拉的內(nèi)環(huán)或立柱上。(2)雙曲面雙層懸索結(jié)構(gòu)與單曲面雙層懸索結(jié)構(gòu)一樣，雙曲面雙層懸索結(jié)構(gòu)也是由承重索和穩(wěn)定索組成，廣泛應(yīng)用于圓形建筑平面。懸索按輻射狀布置，懸索的一端錨固在受壓的外環(huán)梁上，另一端錨固在中心受拉的內(nèi)環(huán)上。4.3懸索屋蓋結(jié)構(gòu)的類型(2)雙曲面雙層懸索結(jié)構(gòu)4.3懸索屋蓋結(jié)構(gòu)的類型根據(jù)承重索與穩(wěn)定索的相對位置關(guān)系，屋面可以形成上凸、下凹或凸凹交叉等不同形式。(3)雙曲面交叉索網(wǎng)結(jié)構(gòu)雙曲面交叉索網(wǎng)結(jié)構(gòu)是由兩組曲率相反的拉索交叉組成，其中下凹的一組為承重索，上凸的一組為穩(wěn)定索，通常對穩(wěn)定索施加預(yù)應(yīng)力，使承重索拉緊，增強(qiáng)索網(wǎng)的整體剛度。交叉索網(wǎng)形成的曲面為雙曲拋物面，一般稱為馬鞍形懸索。4.3懸索屋蓋結(jié)構(gòu)的類型(3)雙曲面交叉索網(wǎng)結(jié)構(gòu)支承和錨固馬鞍形索網(wǎng)的邊緣構(gòu)件，可以根據(jù)建筑不同的平面形狀和建筑造型采用斜向邊拱、雙曲環(huán)梁和人字剛架等形式。4.3懸索屋蓋結(jié)構(gòu)的類型斜向邊拱雙曲環(huán)梁斜向邊拱人字剛架4.4懸索屋蓋的剛度和穩(wěn)定懸索結(jié)構(gòu)的主體是懸掛的柔性索網(wǎng)，因此結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性較差，風(fēng)荷載效應(yīng)大，會造成屋面結(jié)構(gòu)破壞第四節(jié)懸索結(jié)構(gòu)4.4懸索屋蓋的剛度和穩(wěn)定1940年塔科馬懸索橋提高懸索屋蓋結(jié)構(gòu)剛度和穩(wěn)定性的措施(1)采用重屋蓋方案鋪放在索網(wǎng)上的屋面構(gòu)件要有一定的剛度及重量，利用屋蓋的自重抵抗風(fēng)吸力影響。屋面構(gòu)件都必須與懸索連接牢固，使得各道索之間能夠共同承擔(dān)荷載和變形。風(fēng)吸力一般只出現(xiàn)在屋蓋局部，通常在邊緣處最大，因此，必須加強(qiáng)屋蓋邊緣構(gòu)件與其下部支承結(jié)構(gòu)之間的連接，確保安全。4.4懸索屋蓋的剛度和穩(wěn)定提高懸索屋蓋結(jié)構(gòu)剛度和穩(wěn)定性的措施(2)選擇合理的懸索結(jié)構(gòu)類型一般來說，雙層懸索結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性比單層懸索結(jié)構(gòu)要好得多，因此要盡量選用雙層懸索結(jié)構(gòu)的形式。(3)對懸索結(jié)構(gòu)的承重索和穩(wěn)定索之間施加預(yù)應(yīng)力通過施加預(yù)應(yīng)力的方法，可以很大程度上提高懸索結(jié)構(gòu)屋蓋的剛度和穩(wěn)定性，但并沒有額外增加屋蓋的重量。4.4懸索屋蓋的剛度和穩(wěn)定提高懸索屋蓋結(jié)構(gòu)剛度和穩(wěn)定性的措施(4)懸掛薄殼法4.4懸索屋蓋的剛度和穩(wěn)定適用于剛性屋面。該方法是在鋪好的預(yù)制屋面板上施加臨時荷載，使承重索產(chǎn)生預(yù)拉應(yīng)力，然后在屋面板之間的縫隙處灌入水泥砂漿，待砂漿達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，卸去臨時荷載。這時，屋面板會受到擠緊的預(yù)壓力構(gòu)成整體的懸掛薄殼。提高懸索屋蓋結(jié)構(gòu)剛度和穩(wěn)定性的措施(4)懸掛薄殼法4.4懸索屋蓋的剛度和穩(wěn)定這種薄殼有較大的剛度，能夠很好地承受風(fēng)吸力和不對稱荷載作用。缺點(diǎn)是屋面自重大，施工麻煩。4.5懸索結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)分析第四節(jié)懸索結(jié)構(gòu)從圖中可以看出，當(dāng)結(jié)構(gòu)跨度在200m以下時，懸索結(jié)構(gòu)的造價比同跨度的平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)造價高，但當(dāng)跨度超過200m后，懸索結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性就明顯體現(xiàn)出來。4.6懸索結(jié)構(gòu)實例第四節(jié)懸索結(jié)構(gòu)東京代代木國立綜合體育館之游泳館平面像兩個月牙形錯疊在一起，從圓形兩側(cè)伸出兩個尖角。長邊240米，短邊120米，最高處40．4米.由桅桿柱支撐，呈現(xiàn)出奇特的貝殼狀外觀。日本建筑大師丹下健三設(shè)計的代代木體育館是60年代的技術(shù)進(jìn)步的象征，它脫離了傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和造型